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Metodologías gráficas para la estimación de la incidencia de la radiación solar sobre superficies. Tesis Doctoral Juan Ferrer Ferrer Tutor: D. José Luís Higón Calvet Doctor Arquitecto Departamento de Expresión Gráfica Arquitectónica Universitat Politècnica de València Valencia, noviembre de 2015 RESUMEN TESIS DOCTORAL METODOLOGÍAS GRÁFICAS PARA LA ESTIMACIÓN DE LA INCIDENCIA DE LA RADIACIÓN SOLAR SOBRE SUPERFICIES. Juan Ferrer Ferrer La energía solar ha sido y continúa siendo la fuente original y primaria de energía. A excepción de algunas fuentes de energía como pueden ser la nuclear, o la mareomotriz, el resto de fuentes de energía provienen directa o indirectamente del sol. La utilización de una fuente de energía supone la explotación de un recurso natural, este aprovechamiento puede tener implicaciones negativas para el medio ambiente. La Unión Europea ha liderado el esfuerzo internacional para controlar los factores causantes del cambio climático, tratando de identificar medidas rentables que puedan reducir las emisiones. Objetivos: El objeto de la presente Tesis Doctoral es desarrollar un procedimiento gráfico que permita la evaluación de la incidencia de la radiación solar sobre las superficies. Para ello se utilizará un modelo tridimensional tanto de la geometría objeto de estudio como del entorno que la rodea. Como resultado se obtendrán los valores de radiación debidos a la componente directa y los debidos a la componente difusa, particularizados para cada punto del modelo. Para la obtención de los valores el procedimiento tiene en cuenta la meteorología de la zona las sombras producidas por el entorno sobre el modelo y las producidas por el modelo sobre sí mismo. Los resultados gráficos serán almacenados en forma de imágenes de mapa de bits en escala de grises, estableciéndose para cada valor de gris un valor de radiación recibida. Definido un entorno con una orientación y posición geográficas determinadas, la metodología permitirá evaluar la radiación incidente, para un periodo concreto, sobre cada punto de las superficies del modelo. Metodología: - Validación de métodos gráficos. Este bloque se ha dividido en cuatro apartados. En el primer apartado se define la metodología de trabajo aplicada en el resto de ellos. En el segundo apartado, se propone una metodología para el cálculo del ángulo de la incidencia solar. En los otros dos apartados se plantean y validan los modelos de estimación de la radiación directa y difusa. Obteniendo una correlación entre los valores de gris asignados a una superficie y la componente de la radiación recibida por la misma, bien sea directa o difusa. - Procedimiento de acumulación de mapas. En este bloque se definen los conceptos de mapa de irradiancias y de mapa de irradiación, además de especificar cómo se generan a partir de los datos meteorológicos y las imágenes obtenidas del modelo. También se presenta la metodología para sumar mapas permitiendo la acumulación de valores para periodos superiores a una hora. Se ha definido un método que, partiendo de un mapa de irradiaciones, permite conocer la irradiación media recibida por una superficie representada por un área del mismo. En otro apartado se definen el mapa de energías, el mapa de cosenos y la función Energía que permite conocer la energía que reciben las superficies representadas en el área seleccionada del mapa. - Métodos para la comparación de mapas. Útiles para el análisis de resultados. - Implementación Se presenta una posible implementación de la metodología propuesta, presentando las herramientas informáticas elegidas. Para la parte de la acumulación de mapas se ha optado por desarrollar una aplicación propia. - Ejemplo de utilización. Ejemplo práctico en que se utiliza la implementación de la metodología desarrollada. Resultados y discusiones: En este apartado se plantean tres casos de estudio sobre los que se aplicará la implementación de la metodología obteniendo los resultados. La elección de los casos no es casual, y se ha realizado atendiendo a diferentes criterios. Se han elegido diferentes zonas geográficas, disponiendo de diferentes latitudes. Se ha tratado que las geometrías estudiadas guardaran ciertas similitudes a fin de poder comparar resultados. RESUM DE TESI DOCTORAL METODOLOGIES GRÀFIQUES PER A l'ESTIMACIÓ DE LA INCIDÈNCIA DE LA RADIACIÓ SOLAR SOBRE SUPERFÍCIES. Juan Ferrer Ferrer L'energia solar ha sigut i continua sent la font original i primària d'energia. A excepció d'algunes fonts d'energia com poden ser la nuclear, o la mareomotriu, la resta de fonts d'energia provenen directament o indirectament del sol. La utilització d'una font d'energia suposa l'explotació d'un recurs natural, aquest aprofitament pot tenir implicacions negatives per al medi ambient. La Unió Europea ha liderat l'esforç internacional per controlar els factors causants del canvi climàtic, tractant d'identificar mesures rendibles que puguen reduir les emissions. Objectius: L'objecte de la present Tesi Doctoral és desenvolupar un procediment gràfic que permeta l'avaluació de la incidència de la radiació solar sobre les superfícies. Per a això s’utilitzarà un model tridimensional tant de la geometria objecte d'estudi com de l'entorn que l'envolta. Com a resultat s'obtindran els valors de radiació deguts a la component directa i els deguts a la component difusa, particularitzats per a cada punt del model. Per a l'obtenció dels valors el procediment té en compte la meteorologia de la zona les ombres produïdes per l'entorn sobre el model i les produïdes pel model sobre si mateix. Els resultats gràfics seran emmagatzemats en forma d'imatges de mapa de bits en escala de grisos, establint-se per a cada valor de gris un valor de radiació rebuda. Definit un entorn amb una orientació i posició geogràfiques determinades, la metodologia permetrà avaluar la radiació incident, per a un període concret, sobre cada punt de les superfícies del model. Metodologia: - Validació de mètodes gràfics. Aquest bloc s'ha dividit en quatre apartats. Al primer apartat es defineix la metodologia de treball aplicada en la resta d'ells. En el segon apartat, es proposa una metodologia per al càlcul de l'angle de la incidència solar. En els altres dos apartats es plantegen i validen els models d'estimació de la radiació directa i difusa. Obtenint una correlació entre els valors de gris assignats a una superfície i la component de la radiació rebuda per la mateixa, bé siga directa o difusa. - Procediment d'acumulació de mapes. En aquest bloc es defineixen els conceptes de mapa d’irradiàncies i de mapa d'irradiació, a més d'especificar com es generen a partir de les dades meteorològiques i les imatges obtingudes del model. També es presenta la metodologia per sumar mapes permetent l'acumulació de valors per a períodes superiors a una hora. S'ha definit un mètode que, partint d'un mapa d'irradiacions, permet conéixer la irradiació mitjana rebuda per una superfície representada per una àrea del mateix. A un altre apartat es defineixen el mapa d'energies, el mapa de cosinus i la funció Energia que permet conéixer l'energia que reben les superfícies representades a l'àrea seleccionada del mapa. - Mètodes per a la comparació de mapes. Útils per a l'anàlisi de resultats. - Implementació. Es presenta una possible implementació de la metodologia proposada, presentant les eines informàtiques triades i la configuració utilitzada en les mateixes. Per a la part de l'acumulació de mapes s'ha optat per desenvolupar una aplicació pròpia. - Exemple d'utilització. Exemple pràctic en què s'utilitza la implementació de la metodologia desenvolupada. Resultats i discussions: En aquest apartat es plantegen tres casos d'estudi sobre els quals s'aplicarà la implementació de la metodologia obtenintels resultats. L'elecció dels casos no és casual, i s'ha realitzat atenent a diferents criteris. S'han triat diferents zones geogràfiques, disposant de diferents latituds. S'ha tractat que les geometries estudiades guardaren certes similituds a fi de poder comparar resultats. SUMMARY DOCTORAL THESIS GRAPHICAL METHODOLOGIES FOR THE ESTIMATION OF THE SOLAR RADIATION INCIDENCE ON SURFACES. Juan Ferrer Ferrer The solar power has been and continues being the original and primary source of energy. With the exception of some sources of energy such us the nuclear one, or the tidal one, the rest of sources of energy come directly or indirectly of the Sun. The utilization of a source of energy supposes the exploitation of a natural resource, this utilization can have negative implications for the environment. The European Union has led the international effort to control the causative factors of the climate change, trying to identify profitable measures that could reduce the emission. Objectives: The objective of this PhD thesis is to develop a graphical procedure to allow assessment of the impact of solar radiation on surfaces. To do so a three-dimensional geometry model under consideration and the surrounding environment will be used. Since result there will be obtained the values of radiation owed to the direct component and due to the diffuse component, distinguished for every point of the model. For the obtaining of the values the procedure bears the meteorology of the zone in mind, the shades produced by the environment on the model and the produced by the model on itself. The graphical results will be stored as bitmap images in grayscale, there being established for every value of grey a value of received radiation. Defined an environment with a geographical certain orientation and position, the methodology will allow to evaluate the incidental radiation, for a concrete period, on every point of the surfaces of the model. Methodology: - Validation of graphical methods. This block has divided in four sections. In the first sections there is defined the methodology of work applied in the rest of them. The second section, one proposes a methodology for the calculation of the solar incident angle. In other two sections there appear and validate the models of estimation of the direct and diffuse radiation. Obtaining a correlation between the values of grey assigned to a surface and the component of the radiation got for the same one, either direct or diffuse. - Procedure of accumulation of maps. In this block, the concepts of irradiance map and irradiation map are defined, beside specifying how they are generated from the meteorological information and the images obtained of the model. It also presents the methodology to add maps allowing the accumulation of values for periods superior to an hour. There has been defined a method that, starting from a irradiation map, allows to know the average irradiation got for a surface represented by an area of the same one. In another paragraph there define the energies map, the cosines map and the function Energy that allows to know the energy that receive the surfaces represented in the area selected of the map. - Methods for comparing maps. Useful for the analysis of results. - Implementation One possible implementation of the proposed methodology is presented, presenting the tools chosen. For part of the accumulation maps it has been chosen to develop our own application. - Example of use. Practical example that the implementation of the developed methodology is used. Results and discussions: In this paragraph there appear three cases of study on which the implementation of the methodology will be applied obtaining the results. The choice of the cases is not chance, and has been realized attending to different criteria. Different geographical zones have been chosen, having different latitudes. It has been tried that the studied geometries were guarding certain similarities in order to be able to compare results. i ÍNDICE ÍNDICE ..................................................................... I Índice de figuras .................................................. vii I. Introducción ...................................................... 1 1 Motivación del trabajo ................................................................................ 1 2 Objetivos .................................................................................................... 3 3 Etapas y metodología del estudio ............................................................... 4 4 Importancia del trabajo .............................................................................. 7 II. Antecedentes .................................................. 9 1 Historia de la arquitectura solar ................................................................. 9 2 Clasificación energética y concienciación internacional ............................ 16 3 Últimos avances. Estado del arte .............................................................. 20 3.1 Aplicaciones informáticas relacionadas con la temática .................. 23 3.1.1 Marcas Comerciales ................................................................................... 27 3.1.2 Centros docentes ....................................................................................... 28 3.1.3 Administraciones públicas ........................................................................... 31 3.1.4 Empresas privadas ..................................................................................... 36 3.2 Otras metodologías de cálculo .................................................... 44 III. Materiales y Métodos .....................................47 1 Propuesta y validación de métodos gráficos de estimación de radiación. . 55 1.1 Descripción de la metodología para el desarrollo y validación de los modelos .............................................................................. 55 1.1.1 Parámetros de configuración de 3ds Max ...................................................... 57 1.1.2 Diseño de los experimentos ........................................................................ 59 1.1.3 Tratamiento de los datos en la hoja de cálculo .............................................. 61 1.2 Consideraciones previas. Cálculo del ángulo de incidencia solar ...... 62 1.2.1 Diseño de los experimentos ........................................................................ 62 1.2.2 Desarrollo de los experimentos .................................................................... 63 1.2.2.1 Experimento 1. Plano horizontal ........................................................ 65 1.2.2.2 Experimento 2. Pirámide ................................................................... 72 1.2.2.3 Experimento 3. Semiesfera ............................................................... 82 ii 1.3 Modelo de estimación de la radiación directa ................................ 87 1.3.1 Propuesta de modelo. Diseño de los experimentos ......................................... 87 1.3.2 Extracción de datos de las imágenes obtenidas ............................................. 88 1.3.3 Desarrollo de los experimentos ................................................................... 88 1.3.3.1 Experimento 1. Foco de tamaño S .................................................... 89 1.3.3.2 Experimento 2. Foco infinito .............................................................. 93 1.3.3.3 Experimento 3. Plano oblicuo a la vista ............................................... 97 1.4 Modelo de estimación de la radiación difusa ............................... 101 1.4.1 Propuesta del modelo. Diseño de los experimentos ....................................... 101 1.4.2 Desarrollo de los experimentos ..................................................................102 1.4.2.1 Experimento 1. Rampas .................................................................. 102 1.4.2.2 Experimento 2. Rampas plano horizontal. .......................................... 103 1.4.2.3 Experimento 3. Conos variando generatriz. ........................................ 104 1.4.2.4 Experimento 4. Semiesfera. ............................................................. 105 1.4.2.5 Experimento 5. Plano inclinado y horizontal. ...................................... 107 1.4.2.6 Experimento 6. Rampas con obstrucción del cielo. .............................. 108 1.4.2.7 Experimento 7. Huso esférico de tamaño fijo. ..................................... 110 1.4.2.8 Experimento 8. Huso esférico 1º multiplicador 50. .............................. 112 2 Propuesta de procedimiento de acumulación de mapas de irradiaciones.114 2.1 Datos meteorológicos .............................................................. 115 2.2 Mapa de irradiancias ............................................................... 116 2.3 Acumulación de mapas de irradiancias....................................... 117 2.4 Mapa de irradiaciones horarias ................................................. 121 2.4.1 Irradiación media de un área ..................................................................... 122 2.5 Acumulación de mapas de irradiaciones ..................................... 123 2.6 Obtención y operaciones con mapas de energías ........................ 125 2.6.1 Mapa de energías ..................................................................................... 125 2.6.2 Mapa de cosenos ...................................................................................... 126 2.6.3 Obtención de Mapas de energías ................................................................ 127 2.6.4 Energía ................................................................................................... 128 3 Métodos para la comparación de mapas .................................................. 129 3.1.1 Suma con la inversa ................................................................................. 130 3.1.2 Comparar 1 ............................................................................................. 133 3.1.3 Comparar 2 ............................................................................................. 135 3.1.4 Consideraciones generales respecto de la comparación de mapas. .................. 138 4 Implementación. ..................................................................................... 139 4.1 Herramientas informáticas utilizadas ......................................... 139 4.1.1 3ds Max .................................................................................................. 139 4.1.2 Visual Studio ............................................................................................ 139 4.1.3 Gimp ...................................................................................................... 139 4.2 Obtención de mapas de irradiaciones partiendo del modelo 3D ..... 139 4.2.1 Archivo de posicionamiento solar ................................................................ 142 4.2.2 Configuración del sistema Daylight ............................................................. 146 iii 4.3 Programa acumulador ............................................................. 148 4.3.1 Interfaz gráfica ........................................................................................ 149 4.3.1.1 Pestaña. Valores. ........................................................................... 151 4.3.1.2 Pestaña. Rutas. ............................................................................. 151 4.3.1.3 Pestaña. Resultados. ...................................................................... 152 4.3.1.4 Pestaña. Datos Base. ..................................................................... 154 4.3.2 Operaciones básicas ................................................................................. 155 4.3.2.1 Agregar y eliminar secuencia ........................................................... 155 4.3.2.2 Modificación de rutas ...................................................................... 155 4.3.2.3 Herramienta de selección de irradiaciones ......................................... 156 4.3.3 Esquema de cálculo ................................................................................. 157 4.4 Scripts ................................................................................... 162 4.4.1 ‘Irradiacion’ ............................................................................................ 163 4.4.2 ‘Mapas de energias’ ................................................................................. 163 4.4.3 ‘Energia’. ................................................................................................ 164 4.4.4 ‘Comparar 1’ ........................................................................................... 165 4.4.5 ‘Comparar 2’ ........................................................................................... 166 5 Ejemplo de utilización ............................................................................ 167 5.1 Obtención de los mapas de irradiaciones directas. ....................... 169 5.1.1 Propuesta 1. Bloques de igual altura. ......................................................... 170 5.1.2 Propuesta 2. Bloques de diferentes alturas. ................................................. 173 5.2 Obtención de los mapas de irradiaciones difusas. ........................ 176 5.2.1 Propuesta 1. Bloques de igual altura. ......................................................... 176 5.2.2 Propuesta 2. Bloques de diferentes alturas. ................................................. 179 5.3 Obtención de los mapas de irradiaciones globales. ...................... 181 5.4 Obtención de los mapas de energías.......................................... 183 IV. Casos de Estudio: Resultados ...................... 189 1 Casos Propuestos ................................................................................... 190 1.1 Lima ...................................................................................... 190 1.2 Kreuzberg .............................................................................. 193 1.3 Ruzafa ................................................................................... 196 2 Análisis de las series de datos ................................................................ 199 3 Mapas de resultados ............................................................................... 201 3.1 Lima ...................................................................................... 202 3.2 Kreuzberg .............................................................................. 211 3.3 Ruzafa ................................................................................... 221 4 Análisis de resultados ............................................................................ 241 iv V. Conclusiones .................................................. 245 1 Resumen y conclusiones ......................................................................... 245 2 Limitaciones ............................................................................................ 257 3 Principales aportaciones ......................................................................... 258 4 Futuras líneas de investigación ............................................................... 259 VI. Fuentes y Bibliografía .................................. 261 VII. Anejos. ........................................................ 267 1 Imágenes Experimento 1. Plano Horizontal ............................................ 268 2 Tabla de Valores Experimento 1. Plano Horizontal .................................. 2733 Imágenes Experimento 2. Pirámide ........................................................ 277 4 Tabla de Valores Experimento 2. Pirámide. ............................................. 282 4.1 Pirámide Cara A ...................................................................... 282 4.2 Pirámide Cara B ...................................................................... 286 4.3 Pirámide Cara C ...................................................................... 290 4.4 Pirámide Cara D ..................................................................... 294 5 Imágenes Experimento 3. Semiesfera ..................................................... 298 6 Tabla de valores Experimento 3. Semiesfera ........................................... 301 6.1 Resumen ángulo teórico. Vector solar - Normal esfera. ................ 301 1.1 Resumen coseno teórico. Vector solar - Normal esfera. ............... 305 6.2 Resumen valores de gris del pixel de la esfera. ........................... 309 6.3 Resumen coseno experimental. Vector solar - Normal esfera. ....... 313 6.4 Resumen ángulo experimental. Vector solar - Normal esfera. ....... 317 7 Imágenes Experimento 1. Foco de tamaño S. .......................................... 321 8 Imágenes Experimento 2. Foco infinito. .................................................. 322 9 Imágenes Experimento 3. Plano oblicuo a la vista. ................................. 323 10 Imágenes Experimento 5. Plano inclinado y plano horizontal. ................ 324 11 Imágenes Experimento 6. Rampas con obstrucción del cielo. ................. 325 12 Imágenes Experimento 7. Huso 5º. ......................................................... 326 13 Imágenes Experimento 7. Huso 5º multiplicador X10. ............................ 327 14 Imágenes Experimento 8. Huso esférico 1º multiplicador 50. ................. 328 15 Tabla de valores Experimento 8. Huso esférico 1º multiplicador x50. ..... 333 16 Scripts. .................................................................................................... 337 16.1 Histograma .......................................................................... 337 16.2 Irradiacion ........................................................................... 339 16.3 Mapa de Energías ................................................................. 342 16.4 Energia ................................................................................ 347 v 16.5 Comparar 1 .......................................................................... 350 16.6 Comparar 2 .......................................................................... 355 17 Formato del archivo EnergyPlus Weather (epw). ................................... 361 17.1 Especificación del archivo epw ................................................ 362 17.2 Tabla etiquetas del campo “Data Source and Uncertainty Flags” y rangos de valores. ................................................................ 366 17.3 Etiquetas y significado para datos de campos de Radiación solar e Iluminancia ......................................................................... 367 17.4 Etiquetas y significado para incertidumbres de campos de Radiación solar e Iluminancia ................................................... 367 17.5 Etiquetas y significado para datos de campos de Meteorológicos . 368 17.6 Etiquetas y significado para para incertidumbres datos de campos de Meteorológicos ....................................................... 368 vi vii Índice de figuras Figura 1. Esquema de metodología propuesta. ................................................. 5 Figura 2. Esquema de diseño basado en herramientas. .....................................22 Figura 3. Esquema de diseño basado en entrono asistido por ordenador. ............22 Figura 4. Cuadro resumen de aplicaciones. .....................................................26 Figura 5. Pantalla CHEQ4. .............................................................................35 Figura 6. Pantalla Shadow Analyzer ...............................................................38 Figura 7. Pantalla ArchiWIZARD. ....................................................................40 Figura 8. Procesado de diagramas estereográficos de radiación directa. ..............44 Figura 9. Procesado de diagramas estereográficos de radiación difusa. ...............44 Figura 10. Esquema del flujo de datos. ...........................................................56 Figura 11. Pestaña entorno 3ds Max. .............................................................57 Figura 12. Menú de luces de 3ds Max. ............................................................57 Figura 13. Menú de material de 3ds Max. .......................................................58 Figura 14. Experimento 1. Plano horizontal. ....................................................65 Figura 15. Valor de color. .............................................................................66 Figura 16. Valores medios de gris. .................................................................67 Figura 17. Coseno del ángulo entre la normal al plano y el vector sol. ................68 Figura 18. Error absoluto del coseno. .............................................................69 Figura 19. Error relativo del coseno. ...............................................................69 Figura 20. Error absoluto angular. .................................................................70 Figura 21. Error relativo angular. ...................................................................70 Figuras 22 y 23. Correlación entre valores experimentales y teóricos. ................71 Figura 24. Experimento 2. Pirámide. ..............................................................72 Figura 25. Geometría de la pirámide. .............................................................73 Figura 26. Nombres de cara. .........................................................................73 Figura 27. Ángulos de la cara A de la pirámide. ...............................................73 Figura 28. Ángulos de la cara B de la pirámide. ...............................................74 Figura 29. Componentes del vector solar. .......................................................75 Figura 30. Componentes de las normales de las caras C y D. ............................75 Figura 31. Áreas de muestreo. ......................................................................76 Figura 32. Cosenos definidos por vector solar y normales de caras. ...................77 Figura 33. Ángulos definidos por el vector solar y las normales de caras. ............78 Figura 34. Errores absolutos del coseno del ángulo S-Nc. .................................78 Figura 35. Errores relativos del coseno del ángulo S-Nc. ...................................79 Figura 36. Errores absolutos del anglo S-Nc. ...................................................80 viii Figura 37. Errores relativos del angulo S-Nc.................................................... 80 Figura 38. Errores medios para los planos A, B, C y D. ..................................... 81 Figura 39. Correlaciones entre valores experimentales y teóricos. ...................... 81 Figura 40. Experimento 3. Semiesfera. ........................................................... 82 Figura 41. Píxeles semiesfera. ....................................................................... 82 Figura 42. Normales semiesfera. ................................................................... 83 Figura 43. Error absoluto del coseno. ............................................................. 84 Figura 44. Error absoluto angular. ................................................................. 84 Figura 45. Errores medioscalculados por píxel. ............................................... 85 Figura 46. Errores medios calculados por imagen. ........................................... 85 Figura 47. Medias de los errores medios. ........................................................ 86 Figura 48. Modelo Radiación de Directa. ......................................................... 87 Figura 49. Áreas de selección. ....................................................................... 88 Figura 50. Detalle de la atenuación del foco. ................................................... 89 Figura 51. Tabla valores extraídos. Foco con atenuación. .................................. 90 Figura 52. Tabla valores calculados. Foco con atenuación. ................................ 91 Figura 53. Gráfica de valores. Foco con atenuación. ......................................... 91 Figura 54. Error absoluto de coseno y radiación frente al coseno teórico. ............ 92 Figura 55. Error relativo de coseno y radiación frente al coseno teórico. ............. 92 Figura 56. Áreas de selección. ....................................................................... 93 Figura 57. Tabla de valores. Foco sin atenuación. ............................................ 94 Figura 58. Tabla de valores calculados. Foco sin atenuación. ............................. 94 Figura 59. Grafica valores foco sin atenuación. ................................................ 95 Figura 60. Error absoluto de coseno y radiación frente al coseno teórico. ............ 95 Figura 61. Error relativo de coseno y radiación frente al coseno teórico. ............. 96 Figura 62. Correlación. coseno y radiación calculados. ...................................... 96 Figura 63. Imagen 90. ................................................................................. 97 Figura 64. Tabla valores extraídos. Plano oblicuo. ............................................ 98 Figura 65. Tabla valores calculados. Plano Oblicuo. .......................................... 98 Figura 66. Gráfica de valores. Plano oblicuo. ................................................... 99 Figura 67. Error absoluto de coseno y radiación frente al coseno teórico. ............ 99 Figura 68. Error relativo de coseno y radiación frente al coseno teórico. ........... 100 Figura 69. Correlación. coseno y radiación calculados. .................................... 100 Figura 70. Geometría rampas. ..................................................................... 102 Figura 71. Resultado rampas....................................................................... 102 Figura 72. Detalle rampas........................................................................... 102 Figura 73. Resultado rampas con plano horizontal. ........................................ 103 Figura 74. Rampas con plano horizontal. Reducción nº grises. ......................... 103 ix Figura 75. Conos. Angulo e imágenes. ....................................................... 104 Figura 76. Vistas de planta y perfil de la semiesfera. ...................................... 105 Figura 77. Plano horizontal y plano inclinado. ................................................ 107 Figura 78. Valores de gris del plano. ............................................................ 107 Figura 79. Rampas obstrucción con esfera. ................................................... 108 Figura 80. Ángulo del huso esférico. ............................................................. 108 Figura 81. Valores de gris de la cara superior. ............................................... 109 Figura 82. Valores de gris con multiplicador X1 y X10/10 ................................ 110 Figura 83. Histograma X1. .......................................................................... 111 Figura 84. Histograma X10. ........................................................................ 111 Figura 85. Valores de gris. X50/50. ............................................................. 112 Figura 86. Valores de gris. X50/50 acumulados. ............................................ 112 Figura 87. Error absoluto. X50/50. ............................................................... 113 Figura 88. Error relativo. X50/50. ................................................................ 113 Figura 89. Irradiancias de Valencia (39° 29' 12'' N, 0° 28' 24'' O). .................. 114 Figura 90. Irradiaciones horarias directas. Expresadas en Wh/m2 y MJ/m2. ....... 115 Figura 91. Irradiancias directas. Expresadas en W/m2. ................................... 116 Figura 92. Suma de mapas de irradiancias. ................................................... 117 Figura 93. 3601 imágenes. ......................................................................... 119 Figura 94. 13 imágenes. ............................................................................. 119 Figura 95. Histogramas de las imágenes. ...................................................... 119 Figura 96. Resultados imagen completa. ....................................................... 120 Figura 97. Área seleccionada. ...................................................................... 120 Figura 98. Resultados área seleccionada. ...................................................... 120 Figura 99. Suma de mapas de irradiaciones. ................................................. 123 Figura 100. Sin escalado de grises. .............................................................. 131 Figura 101. Con escalado de grises. ............................................................. 131 Figura 102. Resultados de la imagen. ........................................................... 132 Figura 103. Orden de capas. ....................................................................... 134 Figura 104. Resultados de la imagen. ........................................................... 135 Figura 105. Más irradiación. ........................................................................ 135 Figura 106. Menos irradiación...................................................................... 135 Figura 107. Resultados de la imagen. ........................................................... 137 Figura 108. Diagrama de flujo de obtención de mapa de irradiaciones. ............. 140 Figura 109. Paso 1. Archivo delimitado. ........................................................ 143 Figura 110. Paso 2. Selección del delimitador. ............................................... 143 Figura 111. Paso 3. Separador decimal. ........................................................ 144 Figura 112. Parámetros de Daylight. ............................................................ 146 x Figura 113. Ventana de configuración de carga de datos. ............................... 147 Figura 114. Interfaz gráfica del acumulador. ................................................. 149 Figura 115. Pestaña de valores.................................................................... 151 Figura 116. Pestaña de Rutas. ..................................................................... 151 Figura 117. Pestaña de Resultados. ............................................................. 152 Figura 118. Agregar secuencia. ................................................................... 155 Figura 119. Barra Herramientas selección. .................................................... 156 Figura 120. Indicador de irradiación seleccionada. ......................................... 156 Figura 121 . Esquema básico. ..................................................................... 158 Figura 122. Esquema de cálculo. ................................................................. 159 Figura 123. Acumulación de resultados parciales. ..........................................161 Figura 124. Extensiones de archivos de scripts y acumulador. ......................... 162 Figura 125. Vista aérea, manzana del estudio resaltada. ................................ 167 Figura 126. Vista del modelo tridimensional del entorno. ................................ 168 Figura 127. Propuesta 1. Manzana en una altura. .......................................... 169 Figura 128. Propuesta 2. Manzana en varias alturas. ...................................... 169 Figura 129. Irradiaciones horarias directas(Wh/m2). Día 23 de marzo. ............. 170 Figura 130. Secuencia de imágenes para las 12. Propuesta1. .......................... 170 Figura 131. Mapas de irradiaciones horarias directas. Propuesta 1. .................. 171 Figura 132. Mapa de irradiaciones directas. Día 23 de marzo. Propuesta1. ........ 172 Figura 133. Secuencia de imágenes para las 12. Propuesta 2. ......................... 173 Figura 134. Mapas de irradiaciones horarias directas. Propuesta 2. .................. 174 Figura 135. Mapa de irradiaciones directas. Día 23 de marzo. Propuesta 2. ....... 175 Figura 136. Irradiaciones horarias difusas. Día 23 de marzo. ........................... 176 Figura 137. Imagen de difusa. .................................................................... 176 Figura 138. Mapas de irradiaciones horarias difusas. Propuesta 1. ................... 177 Figura 139. Mapa de irradiaciones difusas. Día 23 de marzo. Propuesta 1. ........ 178 Figura 140. Imagen de difusa. .................................................................... 179 Figura 141. Mapas de irradiaciones horarias difusas. Propuesta 2. ................... 180 Figura 142. Mapa de irradiaciones. Día 23 de marzo. Propuesta 2. ................... 181 Figura 143 Mapa de irradiaciones globales. Propuesta 1. ................................ 182 Figura 144 Mapa de irradiaciones globales. Propuesta 2. ................................ 182 Figura 145. Propuesta 1. Mapa de cosenos. .................................................. 183 Figura 146. Propuesta 2. Mapa de cosenos. .................................................. 183 Figura 147 Mapa de energías. Propuesta 1. ................................................... 184 Figura 148 Mapa de energías. Propuesta 2. ................................................... 184 Figura 149. Comparar 1. ............................................................................ 185 Figura 150. Comparar 2. Menos Irradiación. ................................................. 186 xi Figura 151. Comparar 2. Más Irradiación. ..................................................... 186 Figura 152. Irradiaciones mensuales de Lima ................................................ 190 Figura 153. Vista aérea. Los Parques del Agustino, Lima, Perú. ....................... 191 Figura 154. Vista del modelo tridimensional del entorno, Lima......................... 192 Figura 155. Área de interés modelo de Lima ................................................. 192 Figura 156. Irradiaciones mensuales de Kreuzberg. ....................................... 193 Figura 157. Vista aérea. Kreuzberg, Berlín, Alemania. .................................... 194 Figura 158. Vista del modelo tridimensional del entorno, Kreuzberg. ................ 194 Figura 159. Área de interés modelo de Kreuzberg. ......................................... 195 Figura 160. Irradiaciones mensuales de Ruzafa. ............................................ 196 Figura 161. Vista aérea, manzana del estudio resaltada. ................................. 197 Figura 162. Vista del modelo tridimensional del entorno. ................................ 197 Figura 163. Propuesta 1. Manzana en una altura. .......................................... 198 Figura 164. Propuesta 2. Manzana en varias alturas. ...................................... 198 Figura 165. Área de interés modelo de Ruzafa. .............................................. 198 Figura 166. Irradiaciones mensuales de los tres emplazamientos. .................... 199 Figura 167. Irradiaciones anuales de los tres emplazamientos. ........................ 200 Figura 168. Proporción directa difusa anual de los tres emplazamientos. .......... 200 Figura 169. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Planta Lima. ............... 202 Figura 170. Mapa de irradiaciones anuales directas. Planta Lima. ..................... 202 Figura 171. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Sur Lima. ......... 203 Figura 172. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Sur Lima. .............. 203 Figura 173. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Este Lima......... 204 Figura 174. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Este Lima. ............. 204 Figura 175. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Norte Lima. ...... 205 Figura 176. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Norte Lima. ........... 205 Figura 177. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Planta Lima. ................ 206 Figura 178. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Planta Lima. ...................... 206 Figura 179. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Sur Lima. .......... 207 Figura 180. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Sur Lima. ............... 207 Figura 181. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Este Lima. ......... 208 Figura 182. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Este Lima. .............. 208 Figura 183. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Norte Lima. ....... 209 Figura 184. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Norte Lima.............. 209 Figura 185. Mapa de irradiaciones anuales globales. Planta Lima. .................... 210 Figura 186. Mapa de irradiaciones anuales globales. Alzado Sur Lima. .............. 210 Figura 187. Mapa de irradiaciones anuales globales. Alzado Este Lima. ............. 210 Figura 188. Mapa de irradiaciones anuales globales.Alzado Norte Lima. ............ 210 xii Figura 189. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Planta Kreuzberg. ....... 211 Figura 190. Mapa de irradiaciones anuales directas. Planta Kreuzberg. ............. 211 Figura 191. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Sur Kreuzberg. . 212 Figura 192. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Sur Kreuzberg. ...... 212 Figura 193. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Este Kreuzberg. 213 Figura 194. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Este Kreuzberg. ..... 213 Figura 195. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Norte Kreuzberg. ......................................................................................................... 214 Figura 196. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Norte Kreuzberg. .... 214 Figura 197. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Planta Kreuzberg. ........ 215 Figura 198. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Planta Kreuzberg. .............. 215 Figura 199. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Sur Kreuzberg. .. 216 Figura 200. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Sur Kreuzberg. ........ 216 Figura 201. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Este Kreuzberg. . 217 Figura 202. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Este Kreuzberg........ 217 Figura 203. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Norte Kreuzberg. 218 Figura 204. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Norte Kreuzberg. ..... 218 Figura 205. Mapa de irradiaciones anuales globales. Planta Kreuzberg. ............ 219 Figura 206. Mapa de irradiaciones anuales globales. Alzado Sur Kreuzberg. ...... 219 Figura 207. Mapa de irradiaciones anuales globales. Alzado Este Kreuzberg. ..... 219 Figura 208. Mapa de irradiaciones anuales globales. Alzado Norte Kreuzberg. ... 219 Figura209. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Planta Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 221 Figura 210. Mapa de irradiaciones anuales directas. Planta Ruzafa sin optimizar. ......................................................................................................... 221 Figura 211. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Sur Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 222 Figura 212. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Sur Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 222 Figura 213. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Este Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 223 Figura 214. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Este Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 223 Figura 215. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Norte Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 224 Figura 216. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Norte Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 224 xiii Figura 217. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Planta Ruzafa sin optimizar. ......................................................................................................... 225 Figura 218. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Planta Ruzafa sin optimizar. 225 Figura 219. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Sur Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 226 Figura 220. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Sur Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 226 Figura 221. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Este Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 227 Figura 222. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Este Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 227 Figura 223. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Norte Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 228 Figura 224. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Norte Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 228 Figura 225. Mapa de irradiaciones anuales globales. Planta Ruzafa sin optimizar. ......................................................................................................... 229 Figura 226. Mapa de irradiaciones anuales globales. Alzado Sur Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 229 Figura 227. Mapa de irradiaciones anuales globales. Alzado Este Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 229 Figura 228. Mapa de irradiaciones anuales globales. Alzado Norte Ruzafa sin optimizar. ........................................................................................... 229 Figura 229. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Planta Ruzafa optimizado. ......................................................................................................... 231 Figura 230. Mapa de irradiaciones anuales directas. Planta Ruzafa optimizado. .. 231 Figura 231. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Sur Ruzafa optimizado. ......................................................................................... 232 Figura 232. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Sur Ruzafa optimizado. ......................................................................................................... 232 Figura 233. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Este Ruzafa optimizado. ......................................................................................... 233 Figura 234. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Este Ruzafa optimizado. ......................................................................................................... 233 Figura 235. Mapas de irradiaciones mensuales directas. Alzado Norte Ruzafa optimizado. ......................................................................................... 234 Figura 236. Mapa de irradiaciones anuales directas. Alzado Norte Ruzafa optimizado. ......................................................................................... 234 xiv Figura 237. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Planta Ruzafa optimizado. ......................................................................................................... 235 Figura 238. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Planta Ruzafa optimizado. ... 235 Figura 239. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Sur Ruzafa optimizado. ......................................................................................... 236 Figura 240. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Sur Ruzafa optimizado. ......................................................................................................... 236 Figura 241. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Este Ruzafa optimizado. ......................................................................................... 237 Figura 242. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Este Ruzafa optimizado. ......................................................................................................... 237 Figura 243. Mapas de irradiaciones mensuales difusas. Alzado Norte Ruzafa optimizado. ......................................................................................... 238 Figura 244. Mapa de irradiaciones anuales difusas. Alzado Norte Ruzafa optimizado. ......................................................................................... 238 Figura 245. Mapa de irradiaciones anuales globales. Planta Ruzafa optimizado. . 239 Figura 246. Mapa de irradiaciones anuales globales. Alzado Sur Ruzafa optimizado. ......................................................................................................... 239 Figura 247. Mapa de irradiaciones anuales globales. Alzado Este Ruzafa optimizado. ......................................................................................... 239 Figura 248. Mapa de irradiaciones anuales globales. Alzado Norte Ruzafa optimizado. ......................................................................................... 239 Figura 249. Tabla irradiaciones anuales globales. .......................................... 241 Figura 250. Porcentajes anuales de Irradiaciones Directa y Difusa. .................. 242 Figura 251. Menú scripts. ........................................................................... 337 xv 1 I. Introducción 1 Motivación del trabajo El respeto al medio ambiente se ha convertido en una tendencia social. Esta corriente se ve respaldada por estudios científicos que afirman que si no se toman medidas conjuntas de manera internacional, el fenómeno conocido como cambio climático, podría tener consecuencias graves para el planeta. Esta tendencia ha sido recogida internacionalmente desde la Conferencia sobre el Medio Humano de Estocolmo de 1972. En el ámbito de la Unión Europea se ha desarrollado un marco normativode aplicación en los estados miembros que recoge esta inquietud. Se ha establecido un sistema de cuotas de emisiones, para gravar económicamente las emisiones. Además se ha complementado con un sistema de sanciones. 2 Las Administraciones Públicas Españolas apoyan esta tendencia, vía normativa, desarrolladas bajo las directivas Europeas, además de normativas propias que abarcan muchos ámbitos diferentes. Otra vía de apoyo es la inclusión de partidas en los Presupuestos Generales del Estado, bien destinadas a la financiación de proyectos de I+D en eficiencia energética, o bien en inversión directa. Siguiendo la línea marcada por este marco normativo, aparecen una serie de aplicaciones y herramientas de diseño que permiten evaluar, en mayor o menor medida, la eficiencia energética de los edificios. Tomando, como punto de partida, una serie de datos meteorológicos válidos para la ubicación concreta, y tomando por otra parte un modelo tridimensional del edificio a estudiar, se pueden realizar algunas simulaciones con resultado gráfico que informan acerca de cuanta radiación solar recibe cada superficie representada en el modelo. La principal limitación de estas herramientas es que tienen restringido el número de valores calculados para una superficie. Algunas solo obtienen un valor por cada cara definida en la geometría del modelo, mientras que en otras se superpone una rejilla de tamaño limitado a la geometría existente, obteniendo así un valor por cada celda de la rejilla. Estos valores pueden suponer una aproximación aceptable para construcción de tipo disperso, en que la densidad de la trama urbana no sea muy elevada. Por el contrario, en situaciones en que el factor de obstrucción solar es elevado, donde unos edificios producen sombras sobre otros, el error cometido puede ser considerable. El presente trabajo pretende desarrollar una metodología gráfica que permita la estimación de la radiación solar recibida por las superficies del modelo sin las limitaciones antes citadas, acercándonos un paso más, a la meta del ahorro energético, a través de la mejora de la eficiencia energética. Concretamos esta cuestión en el siguiente apartado de objetivos. I Introducción 3 2 Objetivos Como objetivo general de la tesis se plantea desarrollar una metodología gráfica de cálculo de la radiación solar recibida, utilizando un modelo tridimensional para representar la geometría a estudiar y su entorno, teniendo en cuenta las sombras producidas por el entorno sobre el modelo, así como las producidas por el modelo sobre sí mismo. Este objetivo se completa con los siguientes objetivos específicos: - Obtener como resultado tanto los valores de radiación debidos a la componente directa de la radiación solar como los debidos a la componente difusa de la misma. - Obtener resultados gráficos que puedan ser almacenados en forma de imágenes de mapa de bits en escala de grises, estableciéndose para cada valor de gris un valor de radiación recibida. - Evaluar la radiación incidente en un periodo concreto sobre cada punto de las superficies del modelo, teniendo en cuenta la orientación y la posición geográfica del mismo. - Mostrar aplicaciones prácticas de la metodología en casos concretos. 4 3 Etapas y metodología del estudio Para abordar los objetivos propuestos hemos estructurado el trabajo en siete capítulos. Tras esta introducción, en el capítulo segundo, abordamos el marco teórico de este trabajo. Para ello realizamos un breve resumen de la historia de la arquitectura solar en el que se incluyen los hitos se han considerado más adecuados para introducir la tesis. A continuación, encuadramos la energía solar dentro del marco general de las fuentes de energía, para más adelante describir la evolución histórica de la tendencia social a favor del medio ambiente, promoviendo la reducción de emisiones a través de una mejora en la eficiencia energética. Por último, realizamos un estudio histórico de las herramientas de cálculo solar, remarcando el cambio de paradigma producido en las mismas con la evolución de las técnicas informáticas y cerramos con una relación de aplicaciones informáticas de cálculo clasificadas según diferentes criterios. En el capítulo tercero, Materiales y Métodos, hemos desarrollado la metodología gráfica para la estimación de la incidencia de la radiación solar sobre superficies. Empezamos elaborando unos modelos de estimación de la radiación directa y difusa que son validados mediante el análisis de los experimentos diseñados a tal efecto. A partir de estos modelos y de las series meteorológicas elaboramos una propuesta de procedimiento de acumulación de mapas que permiten la obtención mapas de irradiaciones para el periodo de tiempo deseado. Los mapas de irradiaciones son una valiosa fuente de información en el proceso de diseño. Para facilitar el trabajo con estos mapas se hemos planteado una serie de métodos, también gráficos, que permiten la comparación de dos mapas y otros procedimientos en que se obtiene un resultado numérico a partir de ellos. El capítulo tercero se ha dividido en cinco apartados: 1 Propuesta y validación de métodos gráficos de estimación de radiación. 2 Propuesta de procedimiento de acumulación de mapas de irradiaciones. 3 Métodos para la comparación de mapas 4 Implementación. 5 Ejemplo de utilización Este desarrollo se muestra gráficamente en la figura 1, en que se diferencian los tres bloques que corresponderían con los tres primeros apartados. Dentro de cada uno de los otros dos apartados se repetiría de nuevo el esquema planteado, primero para su implementación y luego para su utilización. I Introducción 5 Figura 1. Esquema de metodología propuesta. Calculo del ángulo de incidencia solar Modelo de estimación de la radiación directa Modelo de estimación de la radiación difusa Secuencia de imágenes Procedimiento de acumulación de mapas Mapa de irradiaciones Mapa de irradiaciones Mapa de irradiaciones Mapa de irradiaciones Mapa de irradiaciones Mapa Comparación Propuesta y validación de métodos gráficos Datos meteorológicos Definición del mapa de irradiaciones Irradiación media recibida Energía recibida Mapa de irradiaciones Definición del mapa de cosenos Definición del mapa de energías Mapa de energías Mapa de irradiaciones Mapa de irradiaciones Comparación mapas de irradiaciones Mapa Comparación Comparación mapas de energías Mapa de energías Valor numérico Valor numérico Mapa de energías Mapa de irradiaciones 6 El capítulo tercero se inicia con una descripción genérica de la metodología que se empleará para el desarrollo y la validación de los modelos: definimos los parámetros de configuración de 3ds Max comunes a todos los experimentos, exponemos los métodos que se utilizaran para la extracción de datos de las imágenes y cómo se tratarán los datos obtenidos. A continuación, proponemos una metodología para el cálculo del ángulo de incidencia solar sobre las diferentes superficies de un modelo tridimensional, para un instante concreto, que servirá como fundamento a los modelos de estimación de la radiación. Seguidamente pasamos a proponer y validar los modelos de estimación de la radiación directa y difusa. Estos permiten la estimación de la radiación recibida por todos los puntos de las superficies representadas en el modelo, para un instante dado. En el siguiente apartado del capítulo tercero tiene como núcleo la propuesta de un procedimiento de acumulación de mapas de irradiaciones. Para ello partimos del concepto de mapa de irradiancias y elaboramos un procedimiento de acumulación de mapas de irradiancias que nos llevara a la definición y obtención del mapade irradiaciones horarias. De manera análoga se plantea el procedimiento para de acumulación de mapas de irradiaciones, permitiendo la acumulación de periodos superiores a una hora. En este apartado también proponemos un procedimiento para la obtención del valor de irradiación media sobre una superficie. También hemos definido el mapa de energías, proponiendo un procedimiento para obtenerlo, así como las operaciones que es posible realizar con ellos. En el apartado Métodos para la comparación de mapas, hemos diseñado una serie procedimientos de comparación de mapas y hemos definido las consideraciones y restricciones a tener en cuenta para poder comparar dos mapas. En el siguiente apartado, hemos propuesto una implementación de la metodología desarrollada, utilizando las herramientas disponibles desde un punto de vista de la investigación. Por último se plantea un ejemplo de utilización de la metodología desarrollada. En el capítulo cuarto hemos planteado una serie de ejemplos de utilización, los cuales se han desarrollado utilizando la implementación adoptada de la metodología. Los emplazamientos que se han elegido han sido: Valencia (España), Berlín (Alemania) y Lima (Perú). Hemos elegido estos lugares atendiendo a sus diferentes características climáticas, geográficas y de latitud, con el fin de analizar el efecto de estas variables sobre los resultados obtenidos. De igual manera, se han tratado de localizar edificios existentes de características similares, de forma que fuera posible la comparación de resultados entre ejemplos. I Introducción 7 En el capítulo quinto se presenta un resumen del trabajo y sus principales conclusiones, así como las principales aportaciones desde el punto de vista de la literatura y de la aplicabilidad práctica de la metodología. También se presentan las principales limitaciones del trabajo y se reflexiona sobre las futuras vías de investigación. El capítulo sexto se recoge la bibliografía expresamente citada en el presente trabajo. Se cierra el documento con los anejos. En ellos hemos incluido aquella información que ha sido relevante en el desarrollo de la investigación, pero cuya inclusión en el cuerpo del documento podría alejar al lector del objetivo principal del trabajo. 4 Importancia del trabajo La metodología desarrollada en el presente trabajo responde a la tendencia social de respeto medioambiental, respaldada por gobiernos y administraciones, y materializada en políticas de mejora de la eficiencia energética. Centrándonos en el marco de la Edificación en España, El Código Técnico de la Edificación en su documento básico HE requiere de la estimación de la radiación recibida por la superficies de la edificaciones proyectadas, así como la estimación de las sombras arrojadas sobre los lugares en los que se pueden situar instalaciones de captación solar. Nuestra propuesta resultaría de gran utilidad a tal efecto, puesto que se pretende la retroalimentación del proyecto en fases tempranas del mismo. Actualmente se encuentran disponibles otras metodologías para la estimación de radiación solar, pero o bien no consideran los efectos de las sombras arrojadas por el entorno inmediato, o bien no consideran debidamente los efectos de la meteorología del emplazamiento analizado. La propuesta desarrollada en el presente trabajo pretende superar estas limitaciones, permitiendo de este modo la optimización de los proyectos de instalaciones, y el conocimiento de los valores reales de energía disponible sobre las superficies de las edificaciones. 9 II. Antecedentes 1 Historia de la arquitectura solar Los primeros asentamientos humanos de han localizado en aquellas zonas del planeta en las que el clima era favorable a la instauración y al avance de la misma. Las primeras comunidades de hombres eran cazadores y recolectores, se cubrían con pieles y utilizaban cuevas y abrigos naturales para protegerse de las inclemencias meteorológicas. Con la aparición de la ganadería y sobre todo de la agricultura el hombre abandona paulatinamente la vida nómada y establece los primeros asentamientos permanentes. En las primeras construcciones se utilizaron los materiales disponibles en el entorno próximo, y se realizaron de forma intuitiva. Con el paso de las generaciones, se fue evolucionando y se introdujeron nuevas técnicas constructivas que permitieron al hombre controlar su hábitat para sobrevivir a los rigores del clima. 10 Debido a cambios climatológicos extremos (glaciaciones), al crecimiento de la población, a la búsqueda de nuevas fuentes de alimentos, etc. a lo largo de miles de años se produjeron una serie de migraciones, que fueron favorecidas por las técnicas constructivas adquiridas, a la vez que impulsaron nuevos modos de construir. Gracias a su intelecto el hombre fue capaz de adaptarse en mayor o menor medida a la mayor parte de los climas alrededor de todo el planeta. El objetivo principal de las edificaciones era mejorar las condiciones térmicas ambientales bien fuera sirviendo de protección contra el frio o contra el calor dependiendo del clima del lugar y de la época del año. Las fuentes de energía disponibles eran muy limitadas, siendo la energía solar y la leña las utilizadas para calentar las viviendas. A medida crecen los núcleos de población se presentan nuevos retos, los materiales de construcción ya no están tan cerca de las construcciones, los alimentos producidos en el campo ya no son tan accesibles, es necesario transportarlos, comienza la diferenciación del campo frente a la ciudad. Aparece la figura del especialista que abandona la producción de alimentos para dedicar su tiempo a otras actividades apareciendo los oficios. El paso del campo a la ciudad supone grandes cambios, la aparición de desigualdades conllevará la instauración de un sistema de clases sociales. Estas nuevas necesidades conducen a la construcción de edificios con fines distintos del de vivienda:, talleres, defensivos, religiosos y por otra parte aparecen la vivienda como modo de ostentación social. Las clases más poderosas construyen suntuosas casas como símbolo externo de poder. Con el crecimiento de las ciudades dentro de las grandes civilizaciones se definen los principios del urbanismo. Ya en época griega se encuentran referencias escritas de la importancia de la energía solar como ayuda para calentar las edificaciones, así como de la comprensión del movimiento solar y de cómo se debía orientar y organizar la estructura de la vivienda para el mejor aprovechamiento de la incidencia solar. Otra referencia obligada en temas relacionados con el sol y la arquitectura es Marco Vitruvio Polión, que fue arquitecto, escritor, ingeniero y tratadista romano del siglo I adC. Su tratado “De architectura libri decem” los diez libros de II Antecedentes 11 arquitectura, es el más antiguo que se conserva y el único de la antigüedad clásica.1 Existen innumerables ediciones, traducciones y trabajos que versan sobre un tratado que sigue vigente hoy en día. Cabe citar algunas de las más relevantes, como la primera edición impresa, (Vitruvius Pollio, 1486) editada por el humanista Italiano del Renacimiento Giovanni Sulpizio da Veroli, que se fecha en Roma entre los años 1486 y 1487. Una obra que fue fundamental para la difusión de la arquitectura de Vitruvio fue la escrita por el arquitecto, físico y naturalista francés Claude Perrault en 1674 “Abregé des Dix livres d'architecture de Vitruve”. Es Joseph Castañeda quien como director de la Real Academia de San Fernando de Madrid en 1761 traduce la obra al castellano. (Vituvius Pollio & Perrault, 1761) Sirviendo esta de herramienta de aprendizaje para los alumnos de arquitectura. Para llevar a cabo dicha labor cotejó diferentes ediciones francesas y la italiana de 1747.También es ineludible citar la traducción de los 10 libros, directamente del latín al español, de Joseph Ortíz y Sanz (Vitruvio Polión, 1787). A continuación se han extraído unos fragmentos del mismo, en que se tratan temas como el clima y el soleamiento en relación con la arquitectura, así como la gnomónica. “LIBRO V. Capítulo X. De la disposicion y partes de los baños. En primer lugar se elegirá el sitio mas cálido, esto es, opuesto al norte y al aquilon; y los baños cálidos y tibios tomarán luz del occidente ibernal. Pero si el sitio no lo permitiere, se tomará á lo menos de mediodia, siendo el tiempo propio para bañarse desde medio dia hasta la noche.” “LIBRO VI. Capítulo I. De la situacion de los edificios en orden á las condiciones de los parages. Estarán bien situados estos edificios si se atiende ante todo en qué regiones se construyen, y á qué distancia del polo; pues de una manera deben ser en Egipto, de otra en España, diversos los del Ponto, diferentes los de Roma: y generalmente en cada pais y provincia conviene adaptar los edificios á las propiedades de su clima, puesto que la tierra está por una parte baxo el mismo curso del sol, por otra muy distante, y la del medio le goza templadamente. Estando pues el orbe celeste en orden á la tierra naturalmente constituido con efectos desiguales, por causa de la inclinacion del zodiaco y curso del sol, debe tambien la situacion de los edificios regularse á las condiciones de los paises y diferencia de climas. 1 Los diez libros probablemente fueron escritos entre los años 23 y 27 adC. 12 Hácia el polo conviene hacer los edificios á boveda, muy abrigados, sin muchos claros, y vueltos al aspecto mas caliente. Al contrario en las regiones meridionales baxo la carrera del sol, por ser opresas del calor, deben hacerse desahogados, y vueltos al polo y partes aquílonares, corrigiendo con el arte lo que á la naturaleza falta. En las demas regiones se irán atemperando del modo mismo, segun su particular estado con el cielo.” “LIBRO VI. Capítulo VII. De las partes del cielo á que deben mirar los edificios para su buen uso. Explicarémos ahora los aspectos celestes á que debe mirar cada género de edificios para su mejor uso. Los triclinios de invierno y los baños deben mirar al poniente ibernal, por necesitar de la luz á las horas de la tarde: y tambien porque el sol junto al ocaso, despidiendo su calor y rayos directamente, conserva tibias aquellas regiones á tales horas. Los dormitorios y las bibliotecas deben mirar al oriente; pues su uso requiere luz matutinal: tambien porque en estas bibliotecas no se pudren los libros: pero si estan al mediodia ó poniente, los destruye la polilla y la humedad; pues los vientos húmedos que yienen de dichas partes engendran y mantienen polilla; y esparciendo sobre los libros vapores húmedos, se enmohecen y corrompen. Los triclinios de primavera y otoño mirarán al oriente; pues no teniendo ventanas al ocaso, no les entra el sol por aquella parte, y quedan templados á las horas de su uso. Los de verano, hácia septentrion; porque esta regio n no es como las otras, que son calorosas en el solsticio, pues libre del curso del sol está siempre fresca, y su uso es saludable y gustoso. Tambien las galerías de quadros, las oficinas de texer tapices, y los obradores de Pintores estarán al septentrión, para que los colores puestos en obra hagan efecto igual con la luz permanente.” “Libro IX. Capítulo IV. De la esfera, y los planetas. Cosa es de la mente divina, y causa la mayor admiracion á los que la consideran, el que la sombra equinoccial de un gnomon sea de una longitud en Aténas, de otra en Alexandria, de otra en Roma diferente en Placencia y demas parages del mundo: motivo por el qual son muy diversas las descripciones de los reloxes en parages diferentes; pues por la longitud de la sombra equmoccial se forman los analemas, de los quales se toma la delineacion de las horas, con arreglo á la situación de los pueblos, y sombra de su gnomon. El analema es una averiguación buscada por el curso del sol, y hallada por el aumento de la sombra desde el solsticio ibernal; con la qual por razones architectónicas, y descripcion de II Antecedentes 13 círculos, se vino á hallar el sistema del mundo. Llamo mundo al complexo de todas las cosas naturales, y de todas las esferas celestes con sus astros.” Ya en el renacimiento se retoman los estudios de gnomónica, en este campo cabe destacar dos autores valencianos. Pedro Roiz publica en 1575 su libro sobre relojes de sol (Roiz, 1575), que pone al alcance del lector los conocimientos necesarios para el trazado y construcción de los mismos. Thomas Vicente Tosca publicará en 1715 su Tratado de Gnomónica (Tosca, 1715), más extenso, exhaustivo y profundo que el anterior. Existen abundantes referencias en la bibliografía relativas a la gnomónica y su aplicación en el diseño de relojes de sol, pese a no ser el objeto principal de la tesis2, se ha hecho reseña de estas por considerase relevantes. Los escritos clásicos sobre el uso del sol en arquitectura fueron olvidados y buena parte de sus preceptos cayeron en desuso, aunque una parte de ellos perduro en la tradición implícitamente por respaldarse en el más básico sentido común. Durante el renacimiento italiano, se ponen de moda los estilos de construcción griego y romano. Este resurgir de lo clásico se extiende hacia el norte de Europa pero se limita a imitar la estética de la construcción, no teniendo en cuenta los principios solares y las funcionalidades que estos le confieren. Este desatino es relatado por el arquitecto paisajista inglés Humphry Repton en uno de sus libros dedicados al paisajismo (Repton, 1805): “I have frequently smiled at the incongruity of Grecian architecture applied to buildings in this country, whenever I have passed the beautiful Corinthian portico to the north of the Mansion House, and observed, that on all public occasions it becomes necessary to erect a temporary awning of wood and canvas to guard against the inclemency of the weather. In southern climates, this portico, if placed towards the south, would have afforded shade from the vertical rays of the sun; but in our cold and rainy atmosphere, such a portico towards the north, is a striking instance of the false application of a beautiful model.” El siguiente estudio profundo sobre luz solar y edificación, no lo encontramos hasta el año 1912, en que se publica el libro “The orientation of buildings or planning for sunlight” (Atkinson, 1912). En el primer capítulo trata el problema del posicionamiento solar y describe una metodología que utiliza la proyección 2 Las cuestiones relativas a la gnomónica, a los relojes solares y al posicionamiento solar serán tratados tangencialmente en la tesis, por no tratarse de un objetivo en sí mismo, detallándose según las necesidades de cada momento. 14 estereográfica para la obtención del ángulo de incidencia solar. En el segundo capítulo trata el tema de la distribución de la luz del solar en el exterior de los edificios, y su admisión el interior, a través de las ventanas. Plantea dos métodos "shadow curve" y "area of complete shadow" para el análisis de las sombras haciendo un estudio genérico de planificación y orientación de edificios. Realiza el experimento "sun box" para realizar un estudio práctico de la exposición de ventanas. El tercer capítulo está dedicado al caso particular de los hospitales. En el último capítulo se estudia cómo afectan la dirección y el ancho de las calles en la distribución de la luz, así como la relación entre la altura de la edificación y el ancho de la calle. En este último capítulo también reseña normativa al respecto en diferentes ciudades. En 1919, tras
